JP4377016B2 - 操縦スラストベクトルを有する閉鎖エレクトロンドリフトプラズマスラスタ - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、操縦可能なスラストベクトルを有する閉鎖エレクロトンドリフトプラズマスラスタに関し、このスラスタは、陽極とイオン化可能ガス供給手段とに適合する少なくとも一つの主環状イオン化及び加速通路と、前記主環状通路に磁場を生成するための磁気回路と、イオン化可能ガス供給手段と協働する中空陰極とを具備している。
【０００２】
従来の技術
イオンスラスタ又は閉鎖エレクトロンドリフトスラスタのスラストベクトルを操縦することによって、人工衛星の重心からスラストベクトルを偏倚させることによる姿勢制御操作を実施することを可能とし、又は、反対に、熱変形及び推進剤の消費によってもたらされるような人工衛星の重心の移動に追従するように、スラストベクトルを調整することによって不要トルクを打ち消すことを可能とする。
【０００３】
この必要性は１９７０年から認識されていた。スラストベクトルを制御するための機構は、どちらかと言えば複雑であるために、静電式又は電磁式の制御によって機械式スラスト制御を置き換えるための多数の試みが成されている。
【０００４】
射突式イオンスラスタによって、静電式偏向が最適にもたらされる。最も一般に使用される技術は、加速器格子の各穴を独立に制御可能な電位の四つの部分に細分することから成り、３°程度の偏向角度を実現することを可能とする。それにも係わらず、この種の技術を使用する産業的な具体化は、まだ成されていない。
【０００５】
こうして、射突式イオンスラスタは、一般的に、機械的なスラスト操縦装置を使用する。
一例として、ＨＳ６０１ＨＰ人工衛星のＨｕｇｈｅｓＸＩＰＳ１３と、実験用ＡＲＴＥＭＩＳ人工衛星のＲＩＴ１０及びＵＫ１０スラスタとが挙げられる。
【０００６】
閉鎖エレクトロンドリフトスラスタによって、電磁式偏向が最適にもたらされる。プラズマスラスタにおける電界は、電磁ギャップにおける放射状磁場によって定められる。もし、放射状磁場の方位の変更が望まれるならば、電界も変化させられる。次いで、等電位面の変形が、スラストベクトルの角度を偏向させることを引き起こす。
【０００７】
この解決方法は、例えば、文献ＵＳ−Ａ−５３５９２５８に開示されている。このような環境下において、外部磁極片は四つの部分に細分され、それぞれの部分が、同軸コイルを有する磁心に取り付けられている。このコイルへの送電差が、磁場の方位分布を変更するように働く。
【０００８】
それにも係わらず、この傾向は、現用のスラスタに使用されていない。
文献ＥＰ０８００１９６Ａ１からも、円弧形状の四つの磁心に取り付けられた四つのコイルが放射状磁場の方位を変化させるように働くスラスト操縦装置が公知である。
【０００９】
閉鎖エレクトロンドリフトスラスタのスラストベクトルを電磁式に制御するための種々の技術は、３°に匹敵する偏向角度を得ることを可能とするが、これらは、このようなスラスタの特定の物理的性質のために、一連の欠点を有している。特に、電界を局部的に増加することは、浸食領域の位置を変化させる。軸線方向に対称にしないと、外形磨耗が特定の側に顕著となる（人工衛星の重心が移動する方向が定まっているために）。ビームが向けられる基準方向を変更することが必要である限り、プラズマと磨耗した通路壁との間の境界面は、もはや、対称ではない。これは、前もって磨耗を抑えるようにされた側に際立つ磨耗を起こすが、特に、交換される磨耗限界を起こし、これは、操作の非常な妨げとなる可能性がある。
【００１０】
寿命試験は電磁式制御装置を特定することが困難であることも気づくべきである。寿命がスラストベクトルの操縦方法に関する危険に及ぶと直ぐに、寿命試験中におけるスラストベクトルの操縦方法が実際の操作において遭遇するいくつかの不作為の規定より過酷であることを実際的に証明することが不可能となる。
【００１１】
イオンビーム（スラストベクトル）が偏向される時のもう一つの欠点は、効率の大幅な低下に関連するものである。
軸線方向に対称なスラスタにおいて、横断電界及び磁場の作用下における環状通路でのエレクトロンのドリフト動作に対抗するものはない（これが、”閉鎖エレクトロンドリフト”スラスタの由来である）。
【００１２】
もし、通路壁が磁極片に関して偏倚しているならば、エレクトロンと壁との間の衝突の増加のために、効率の低下が見られる。
もし、磁場が局部的に増加するならば、同じ作用が起こる。これは、非対称の磨耗によって悪化する。
【００１３】
スラストベクトルを制御するための簡単な手段は、複数のスラスタの使用から構成可能であり、それぞれのスラスト力は個々に制御される。
【００１４】
次いで、合成スラストベクトルの方向及び振幅を固定することが非常に容易であり、寿命はスラストの操縦方法から独立となる。不幸にも、このような方法は、少なくとも三つのスラスタ及び少なくとも三つの電力供給源が必要とされる時に高価となる欠点がもたらされる。
【００１５】
本発明の目的及び要約
本発明は、前述で特定した欠点を改善することと、コスト及び搭載全質量を過剰に増加させない装置によってスラストベクトルを操縦することを目的とし、この装置は、結果的に、完全な組の多数のスラスタを具備せず、一方、それにも係わらず、十分な大きさの偏向角度を有して制御不可能な非対称をもたらすことなく、容易な及び効果的なスラストベクトルの操縦における制御を実現することを可能とする。
【００１６】
これらの目的は、操縦可能なスラストベクトルを有する閉鎖エレクトロンドリフトプラズマスラスタによって達成され、本スラスタは、陽極とイオン化可能ガス供給手段とに適合する少なくとも一つの主環状イオン化及び加速通路と、前記主環状通路に磁場を生成するための磁気回路と、イオン化可能ガス供給手段と協働する中空陰極とを具備し、本スラスタは、平行でなく前記主環状通路の出口から下流側で収束する軸線を有する複数の主環状イオン化及び加速通路を具備し、磁場を生成するための磁気回路が、下流側に位置して全ての環状通路に共通な第一外部磁極片と、下流側の第一外部磁極片から上流側に配置されて全ての環状通路に共通な第二磁極片と、主環状通路の数と同数で主環状通路の軸線回りに配置された第一コアに取り付けられた複数の内部磁極片と、複数の第一コア回りのそれぞれに配置された複数の第一コイルと、主環状通路の間に位置する空間に配置された第二コアに取り付けられた複数の第二コイルとを具備し、第二コイルの前記第二コアは、それらの上流側部分を介して強磁性バーによって相互接続され、それらの下流側部分を介して前記下流側の第一外部磁極片へ接続され、本スラスタは、主環状通路のそれぞれへのイオン化可能ガス供給流量を調整するための手段と、主環状通路におけるイオン放電及び加速電流を制御するための手段とを具備することを特徴とする。
【００１７】
主環状イオン化及び加速通路の軸線は、スラスタの幾何学的軸線に収束し、スラスタの幾何学的な軸線に関して５°から２０°の範囲内の角度を形成する。
【００１８】
各主環状イオン化及び加速通路は、分離器を介して流量調整器へ接続された管によってイオン化可能ガスを供給するマニホルドと協働する陽極を具備している。
【００１９】
中空陰極には、分離器を介してヘッド損失部材へ接続された管へ通じている。流量調整器及びヘッド損失部材は、電気制御弁によって制御される共通管へ通じている。
【００２０】
本スラスタは、中空陰極と陽極との間で放電させるための電力供給回路を具備し、主環状通路の放電振動は、陰極と陽極との間に位置するフィルタによって減結合される。
【００２１】
陽極の放電電流を制御するために、本スラスタは、電流検出器と流量調整器で作動する電流調整器とを有するサーボ制御ループを具備し、この電流調整器は、合計放電電流関連値と少なくとも一つの軸線回りに操縦するための少なくとも一つのスラストベクトル偏向関連値とを受け入れ、イオン放電及び加速電流は、複数の第一コイル及び複数の第二コイルが陰極と電力供給回路の負端子との間において直列に接続されている前記磁気回路によって定められた磁場分布によって制御される。
【００２２】
流量調整器は、放電電流サーボ制御ループによって、又は他に、熱的、圧電的、又は磁気歪的に作動する電気制御微量測定弁によって制御される熱的毛管手段によって構成されて良い。
【００２３】
電流検出器は、数百ボルトの電圧で陽極のそれぞれにおける電流を測定するために、電気的に絶縁されて良い。
各主環状通路における流量範囲は、公称流量の５０％から１２０％の範囲である。
第二コイルの数は、４から１０の範囲であって良い。
【００２４】
種々可能な実施形態において、スラスタは、二つの主環状通路、又は、スラスタの軸線回りに三角形状に配置された三つの主環状通路、又は他に、スラスタの軸線回りに四角形状に配置された四つの主環状通路を具備している。
【００２５】
特定の実施形態において、第二コイルの数は主環状通路の倍数であり、各通路に配分された第二コイルの各部分組のコイルは直列に接続され、第二コイルのそれぞれの部分組は、直列に接続されたコイルのインピーダンスを等しくして並列に接続される。
【００２６】
もう一つの特定の実施形態において、第二コイルの数は、主環状イオン化及び加速通路の倍数であり、それぞれの通路に配分された第二コイルの部分組のそれぞれのコイルへは、電流微細調整器を介して電力供給される。
【００２７】
特定の実施形態において、スラスタは、スラストベクトルを操縦するためのデジタルサーボ制御ループを具備し、合計スラスト関連値及びスラストベクトル偏向値はデジタル形式で与えられ、二つの関連値が矛盾する場合において、スラストベクトル関連値は合計スラスト関連値より優先される。
【００２８】
有利に、スラスタは、ラジエータと、電気的及び流体的接続のためのハウジングとして機能する共通の基板を具備する。
一実施形態において、イオン化可能ガス供給量を調整するための手段は、二つの軸線回りの制御を提供するために、スラストベクトル偏向のための二つの関連値を受け取る。
【００２９】
特定の実施形態において、スラスタは、イオン化可能ガス供給量を調整するための手段を使用して第一軸線回りの制御を提供することを可能とする二つの主環状イオン化及び加速通路を具備し、さらに、第二軸線回りにおけるスラスタの基板への機械的枢着手段を具備する。
この場合において、スラスタの基板は、５０°の最大角度を有して前記第二軸線回りに枢着されている。
【００３０】
特定の態様において、スラスタの基板は、固定プラットフォームに取り付けられた少なくとも一つの可撓膜によって予め押圧されて基板へ直接的に固定された二つの球軸受において前記第二軸線回りに枢着され、可動部組立体の重心が回転軸線の近傍に位置され、回転角度は電気モータと角度固定を提供する減速歯車とによって制御される。
【００３１】
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照して例として与えられた特定実施形態の以下の記述を読むことで明らかとなる。
【００３２】
本発明の特定実施形態の詳細な記述
それぞれに複数の主環状イオン化及び加速通路が設けられた閉鎖エレクトロンドリフトプラズマスラスタのそれぞれの実施形態の以下の記述において、それぞれの主環状通路において同様な又はそれぞれの異なる通路に関連する部材は、同じ参照番号が与えられるが、単一スラスタにおいて第一、第二、第三、又は第四環状通路が参照されるかに依存して添字Ａ、Ｂ、Ｃ、又はＤが付けられる。
【００３３】
図１から３は、並んで配置された二つの主環状通路１２４Ａ及び１２４Ｂを有して本質的に矩形の外形を区画形成するプラズマスラスタを示している。二つの通路１２４Ａ及び１２４Ｂの軸線２４１Ａ及び２４１Ｂは、スラスタの幾何学的軸線７５２に関して所定角度２４２で傾斜されている。単一の中空陰極１４０は、二つの主通路１２４Ａ及び１２４Ｂと協働する。
【００３４】
図１８に示す種類の単一の主環状通路を有する一般的なプラズマスラスタは、大体において、外部磁極片３４と協働する四つの外部コイル３１を有している。
【００３５】
二つの主環状通路１２４Ａ及び１２４Ｂを有する本発明のプラズマスラスタでは、二つの通路１２４Ａ及び１２４Ｂの間の中間平面近傍に位置する一対の隣接外部コイル１３１を組み合わせることが可能である。その結果として、非常に開いたＶ形状（図１及び２参照）で共通外部磁極片１３４へ接続された六つの外部コイル１３１だけを使用することが可能となる。
【００３６】
内部磁極片１３５Ａ及び１３５Ｂは、主環状通路１２４Ａ及び１２４Ｂの軸線２４１Ａ及び２４１Ｂ回りに配置された第一コア１３８Ａ及び１３８Ｂに取り付けられ、それにより、第一コアは存在する環状通路１２４Ａ及び１２４Ｂと同数である。第一コア１３８Ａ及び１３８Ｂ回りに配置された内部又は第一コイル１３３Ａ及び１３３Ｂもまた、環状通路１２４Ａ及び１２４Ｂの数と同数存在する（図３）。
【００３７】
外部コイル１３１又は第二コイルは、二つの主環状通路１２４Ａ及び１２４Ｂの間に位置する空間に配置された第二コア１３７に取り付けられている。このコイル１３１のコア１３７は、外部下流側磁極片１３４へ接続された下流側部分を有している。もう一つの外部磁極片３１１は、上流側に配置され、環状通路１２４Ａ及び１２４Ｂ回りに配置された部分３１１Ａ及び３１１Ｂを有しており、第一又は下流側外部磁極片１３４から上流側に配置されている（図３及び１７）。
【００３８】
通路１２４Ａ及び１２４Ｂと磁気回路要素とが、好ましくは軽合金から形成されてラジエータとして機能する基板１７５へ固定されている。電気的及び流体的接続部は、基板に設けられた空洞内に収納されている。
【００３９】
例として、磁気回路は、米国特許第５３５９２５８号に開示されたと同様に又は１９９８年の８月２５日に出願された仏国特許出願第９８／１０６７４号に開示されたと同様に形成され、図３及び１７に示されている。
【００４０】
特に、図３、１６、及び１７を参照すると、絶縁壁１２２Ａによって区画形成された１２４Ａのような各環状通路が、その下流側端部において開口され、その上流側部分において切頭円錐状でその下流側部分において円筒状の部分を有している。環状陽極１２５Ａは、下流側方向に開口する円錐部を形成する傾斜部分を有している。この陽極１２５Ａは、プラズマとの接触面積を増大するために、陽極１２５Ａの中実部分１１６Ａに形成された細長穴１１７Ａを有していても良い。イオン化可能ガスマニホルド１２７Ａから到来するイオン化可能ガスを噴出するための穴部１２０Ａは、陽極１２５Ａの壁部を貫通して形成されている。このマニホルド１２７Ａには、管１２６Ａを介してイオン化可能ガスが供給される。陽極１２５Ａは、セラミック材料から形成されて通路１２４Ａを区画形成する部分１２２Ａに関して、例えば、中実円形断面支柱１１４Ａ及び少なくとも二つの支柱１１５Ａによって支持可能であり、この部分は薄くて適応性のあるブレードを構成する分離器３００Ａは、管１２６Ａと、陽極−陰極の放電のための電力供給の正極へ電気接続部１４５Ａによって接続された陽極１２５Ａとの間に介在している。
【００４１】
内部磁極片１３５Ａは、円錐形状の第二内部上流側磁極片３５１Ａへ接続された複数の放射状アーム３５２Ａによって、スラスタの上流側部分へそれ自身延長された中心軸磁気コア１３８Ａによって延長されている。第二内部磁気コイル１３２Ａは、第二内部磁極片３５１Ａの外側上流側部分に設置可能である。内部コイル１３２Ａからの磁場は、放射状アーム３５２Ａと一直線に位置する放射状アーム１３６によって、及び、外部磁極片３１１Ａによって、及び、内部磁極片３５１Ａによって方向付けられる。小さな隙間３６１を、放射状アーム３５２Ａと放射状アーム１３６との間に残すことができる。
【００４２】
優れた絶縁材料の遮蔽形成シート１３０Ａは環状通路１２４Ａから上流側に配置され、優れた絶縁材料の遮蔽形成シート３０１Ａが、通路１２４Ａと内部コイル１３３Ａとの間にも介在されている。遮蔽１３０Ａ及び３０１Ａは、コイル１３３Ａ及び１３２Ａと、基板１７５とへ向かう通路１２４Ａによって放射された磁束の主部分を除去する。
【００４３】
複数の通路１２４Ａ及び１２４Ｂを有する本発明のプラズマスラスタの状況において、両通路１２４Ａ及び１２４Ｂへの電力供給のために単一の陰極１４０を使用することができる。この陰極１４０は、ビームの両側に関して明らかに影響しないように位置させた雲状プラズマを生成し、さらに、通路１２４Ａ及び１２４Ｂの軸線２４１Ａ及び２４１Ｂが収束するために、これは、プラズマビームが横断することを意味し、それにより、ビームの間のインピーダンスが減少すると思われる。それにも係わらず、特に、もし通路の数が四つ以上であるならば必要とされる陰極を追加することが不可能でない。
【００４４】
二つの通路１２４Ａ及び１２４Ｂを有する図１から３のスラスタは、一つの軸線回りにスラストベクトルを操縦することを可能とする。
【００４５】
図５から９に示した種類の三つの通路１２４Ａから１２４Ｃを有するスラスタ形状は、二つの軸線回りのスラストベクトルを操縦することを可能とする。
【００４６】
図５及び６の実施形態において、三角形状に配置された三つの主環状通路１２４Ａ、１２４Ｂ、及び１２４Ｃの軸線２４１Ａ、２４１Ｂ、及び２４１Ｃは、スラスタの軸線７５２上で収束する。各通路１２４Ａから１２４Ｃは、ダイヤモンド形状の四つの外部コイル１３１によって取り囲まれている。これらコイル１３１のいくつかは、外部コイル１３１の全数が１２となることに代えて七つに減少されるように、二つの隣接通路と協働する。
【００４７】
外部コイル１３１のアンペア回数は、電力供給される磁極片の周囲長さの関数として調整される。アンペア回数は、四つの中央コイルにおいて同一であり、一方、通路１２４Ａから１２４Ｃによって区画形成される三角形の頂点近傍に配置された三つの外部コイル１３１は、中央コイル１３１のアンペア回数の２／３だけである。
【００４８】
三つの通路１２４Ａ、１２４Ｂ、及び１２４Ｃを有するスラスタの他の主要素は、特に、軽合金から形成された共通の基板１７５と、共通の陰極１４０と、内部コイル１３３Ａから１３３Ｃの磁気コア１３８Ａから１３８Ｃと、多数の強磁性バー１３６によって相互接続された外部コイル１３１の磁気コア１３７とに関して、二つの通路１２４Ａ及び１２４Ｂを有するスラスタのものと同様である。
【００４９】
図８及び９は、外部コイル１３１の数及び配置においてだけ図５及び６の実施形態と異なる三つの主環状通路１２４Ａ、１２４Ｂ、及び１２４Ｃを有するスラスタを示している。
【００５０】
図８及び９の実施形態において、十の外部コイル１３１が存在している。これらは、各主環状通路１２４Ａ、１２４Ｂ、及び１２４Ｃが不規則五角形を形成する五つのコイルによって取り囲まれるように分配されている。この不規則性は、約１０°の通路の収束角度のためである。正五角形は、もし、通路の収束角度がより大きな約３７°であるならば、得ることができる。外部コイル１３１のいくつかは、外部コイル１３１の全数が十五である代わりに十に減少されるように、通路１２４Ａから１２４Ｃの二つ又は三つに同時に作用する。共通の磁極片１３４は磁場を平均化する。
【００５１】
図８及び９の配置は、大きなスラスタにとって有利であり、一方、外部磁極片１３４を軽量化するように、外部コイル１３１を分割することが好ましい。外部磁極片１３４及び基板１７５は、六角形の頂点近傍に配置された六つの外部コイル１３１と、三つの通路１２４Ａから１２４Ｃの間において星型に分配された四つの外部コイル１３１とを有する不規則六角形の形状である。
【００５２】
図１０及び１１は、本質的に四角形状に配置されて九つの外部コイル１３１と協働する四つの主環状通路１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、及び１２４Ｄを有するスラスタを示している。各通路１２４Ａから１２４Ｄは、四つの外部コイル１３１によって取り囲まれている。外部コイル１３１のいくつかは、複数の通路に関して機能する。本質的に四角形状の磁極片１３４及び基板１７５の角部近傍に配置されたコイル１３１だけが、単一の通路１２４Ａから１２４Ｄだけに機能する。その結果として、外部コイル１３１の数は十六から九つに減少可能である。
【００５３】
決定された偏向を得るために、軸線７５２に関する軸線２４１Ａから２４１Ｄの角度を増加することが必要であり、この角度２４２は、二つの通路を有するスラスタに設けられた角度の二倍となる。
【００５４】
図１３から１５を参照すると、図１から３のスラスタと本質的に同様な二つの通路１２４Ａ及び１２４Ｂを有する本発明のスラスタを見ることができる。しかしながら、図１３から１５において、本スラスタは、単軸機械式操縦手段にも適合する。
【００５５】
二つの主環状通路１２４Ａ及び１２４Ｂと、それらと協働する六つの外部コイル１３１とは、５°から２０°の範囲内とすることができる角度に渡り第一軸線回りのスラストベクトルの操縦における適応性のある容易な制御を提供する。単軸機械式操縦手段は、例えば、約５０°の大きな角度７８３に渡りスラストベクトルの方向を操縦することを可能として、第二軸線回りのスラストベクトルの方向の制御を可能とする。
【００５６】
単軸機械式操縦装置は、非常に簡単で、重量が非常に軽く、二軸機械式操縦装置より高い耐久性を有していることが注目される。特に、単軸装置によって、スラスタの重心７５１が操縦装置の回転軸線７８２上に設置することができ、それにより、任意の固定装置を省略することが可能となる。角度固定は、例えば、電気モータ１７７及び減速歯車１７９を具備する反転不可能回転制御機構によって直接的に得ることができる。機械的に操縦可能なスラスタの台１７５の回転軸線は、スラスタが動かされる間の動的な力に耐えることができる二つの斜め接触球軸受１７８によって実現可能である。二つの斜め接触軸受１７８の少なくとも一つは、弾性膜７８１に取り付けられ、熱勾配に関して一定で独立した予め与えられた押圧を保証することを可能とし、それにより、例えば、ヨーロッパ特許第０３２５０７３号に開示されているような障害を防止する。弾性膜７８１は、それ自身、固定基板１７６に取り付けられている。電気接続は可撓ケーブルによって提供され、イオン化可能ガスはホースによって提供される。
【００５７】
単軸機械式操縦の二つの通路１２４Ａ及び１２４Ｂを有するスラスタは、スラストベクトルが、一つの軸線回りの大きな角度を通して及び他の軸線回りの小さな角度を通して指向可能であることが必要とされる時に、特に役立つ。
【００５８】
これは、地球静止移動軌道（ＧＯＴ）と最終的な地球静止軌道（ＧＥＯ）との間を移動するために、南北制御を得るために、及び、さらに、スラストベクトルが軌道面において及び軌道面を離れて操縦されることを必要とする使命のために（ＧＴＯ−ＧＥＯの移動のための傾き修正又は所定の衛星使命のために）、プラズマスラスト力を使用する通信衛星にとって特に適する。
【００５９】
一般的に、本発明により、スラストベクトルは、共通の磁気回路１３４に含まれて単一の中空陰極１４０と単一の供給ブロック１９０との両方へ接続されている複数の主イオン化及び加速環状通路１２４Ａから１２４Ｄへスラスト流体を別けて供給することによって制御される（図４）。
【００６０】
固定された放射状の磁場（共通の中空陰極１４０によって送られた電流によって決定されるような）のために、非収束方式（スパイク方式として知られている）で作動する閉鎖エレクトロンドリフトモータにとっては、所定の流量余裕と、こうして、所定の放電電流余裕とが存在する。スラスト力は、実質的に、公称作動位置回りの小さな範囲において、放電電流及び流量に比例するために、流量を変更することによって各通路１２４Ａから１２４Ｄの個々のスラスト力を制御することは容易である。これは、例えば、放電電流サーボ制御ループによって制御される熱的毛管手段を具備する個々の流量調整器１８５Ａから１８５Ｄによって容易に実現される。電気制御微量計測値（熱式、圧電式、又は、磁気歪式のアクチュエータを有する）を使用することも可能である。
【００６１】
一般的な静止プラズマスラスタにおいて、電流センサは、電流戻し線に（接地電位に近い電位が陰極の電位からコイルの電圧降下を減算した値に等しいためにこの電位において）設置される。
【００６２】
この場合において、各陽極の電流を測定することも必要である。陽極電位が３００Ｖであるために、電気的絶縁された電流検出器１９３Ａから１９３Ｄによってこの測定を実施することが好ましい。例えば、それぞれが一つの陽極の電流を送る二つの反対巻きのソレノイドの軸線上にホール効果センサを設置することによって二つのワイヤの間の電流差を測定することが可能である。
【００６３】
図４は、三つの通路１２４Ａから１２４Ｃ（及び、こうして、三つの陽極１２５Ａから１２５Ｃ）を有するスラスタの電気回路を示している。各陽極１２５Ａから１２５Ｃは、Ｌ−Ｃ回路（９１１Ａから９１１Ｃ）によって構成されたフィルタを介して共通供給部へ接続されている。これは、各通路の間の振動周波数を減結合するように機能し、これらの周波数は、異なる流量のために僅かに異なる可能性がある。
【００６４】
単一のスラスタへ供給する電力供給ブロックに比較して、唯一のさらなる複雑化は、さらなる流量制御調整器と絶縁された電流差検出器（９２，９２１，９２２）を追加することである。
【００６５】
図４の回路は、もちろん、図１０及び１１に示す実施形態のように、四つの通路１２４Ａから１２４Ｄを有する実施形態へ適用可能である。このような状況において、必要とされる全ては、さらなる分岐部であり、その要素には添字Ｄが与えられる。
【００６６】
通路１２４Ａから１２４Ｄに対応する各分岐部において、一室が、陽極１２５Ａから１２５Ｄと、ホース１１８Ａから１１８Ｄによってイオン化可能ガスが供給されるマニホルド１２７Ａから１２７Ｄと、分離器（３００Ａから３００Ｄ）と、電気制御弁１８７によって制御される共通の供給ホース部分１２６へ接続された流量調整器（１８５Ａから１８５Ｄ）とを具備する。共通のホース１２６は、さらに、ヘッド損失部材１８６及び分離器３００によって中空陰極１４０へ通じている。放電は、電力供給回路１９１によって中空陰極１４０と陽極１２５Ａから１２５Ｄとの間で実現される。各通路における放電振動は、各陽極１２５Ａから１２５Ｄと陰極１４０との間に設置されたフィルタ９１１Ａから９１１Ｄによって減結合される。各陽極の放電電流は、電流検出器１９３Ａから１９３Ｄ、好ましくは、電気的絶縁検出器と、単軸制御にとってのスラストベクトル偏向のための一つの関連値９２２又は二軸制御にとってのスラストベクトル偏向のための二つの関連値９２２と合計放電電流のための関連値９２１とを受け入れる調整器１９２とを有するサーボ制御ループによって制御される。イオン放出及び加速電流は、全ての通路に共通な外部下流側磁極片１３４と、全ての通路に共通な外部上流側磁極片３１１と、コア１３７に取り付けられた外部コイル１３１と、コイル１３３Ａから１３３Ｄに適合したコア１３８Ａから１３８Ｄに取り付けられた内部磁極片１３５Ａから１３５Ｄとによって決定されるような磁場の分布によって制御される。全ての磁極片の端部は、通路１２４Ａから１２４Ｄの軸線２４１Ａから２４１Ｄ回りの同軸トーラス形状の外形を有する。内部コイル１３３Ａから１３３Ｄ及び外部コイル１３１は、陰極と、電力供給回路１９１の負端子との間に直列に接続され、一方、それぞれのコアは強磁性バー１３６によって上流側で接続されている。調整回路は、各通路１２４Ａから１２４Ｄにおいて、一般的に公称流量の５０％から１２０％に渡る流量範囲を確定することを可能とする。
【００６７】
調整回路の種々の実施形態の変更は可能である。
こうして、特定の変更において、外部コイル１３１の数は、主環状通路１２４Ａから１２４Ｄの数の倍数であり、各通路１２４Ａから１２４Ｄへ割り当てられたコイル部分組立体１３１のそれぞれのコイルは直列に接続され、一方、それぞれのコイル部分組立体１３１は並列に接続され、直列に接続されたコイルのインピーダンスは等しい。
【００６８】
もう一つの変更において、外部コイル１３１の数は、環状通路１２４Ａから１２４Ｄの数の倍数であり、それぞれの通路に割り当てられたコイルの部分組のそれぞれのコイルは、電流微細調整器によって電力供給される。
【００６９】
さらにもう一つの変更において、スラストベクトルの操縦をサーボ制御するために、デジタルループが設けられ、合計スラスト関連値及びスラストベクトル偏向関連値は、デジタル形式で与えられ、スラストベクトル偏向関連値は、二つの関連値が矛盾する場合において、合計スラスト関連値に対して優先される。
【００７０】
本発明の多重通路スラスタは、３°の旋回を可能とする基板上に取り付けられた単一のスラスタとスラスト力を制御するための同じ能力を提供可能であることが判る。
【００７１】
例えば、一つの星座の衛星の一つへ提供される単一のスラスタの場合において、スラスタと衛星の重心との間の距離は、約１メータ（ｍ）である。偏向角度θでスラスト力Ｆによって生じるトルクは、Ｃ＝Ｆ・ｓｉｎθに等しく、すなわち、θ＝３°ではＣ＝０．０５２３Ｆである。
【００７２】
１４０ｍｍだけ離間した二つの通路を有し、各ビームが１００ｍｍの直径を有し、公称単位スラスト力Ｆ１＝Ｆ／２である本発明のスラスタでは、もし、個々の通路の軸線が１０°の半分の角度αだけ逸れているならば、各通路において個々のスラスト力を変化させることによって実現可能なトルク変化は、
Ｃ＝（０．０７＋ｓｉｎ１０°）（ΔＦ₁ −ΔＦ₂ ）
Ｃ＝０．２１１３６（ΔＦ₁ −ΔＦ₂ ）である。
変化における絶対値を等しくするために、ΔＦ₁ ＝０．２１５Ｆで与えられる制御関係が満足される。
スラスト力における変化は、こうして、約２０％であり、制御は容易である。
【００７３】
質量１５０ｋｇの通信衛星のような衛星に搭載されたイオン化可能ガスの追加質量によって、従来技術の実施形態は、さらなる搭載質量が１２ｋｇより重いような二つの操縦板を有することが理解される。単一の操縦板及び複数の通路を有する本発明のスラスタでは、キセノンのようなイオン化可能ガスの追加質量にとって、二つの操縦板を有する従来技術の装置によって必要とされる追加質量より少ない約２ｋｇであることが必要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】二つの主環状通路を有する本発明のプラズマスラスタの第一実施形態を示す概略側面図である。
【図２】図１のプラズマスラスタを示す下流側から見た端面図である。
【図３】図１及び２に示すプラズマスラスタの実施形態における特定断面の斜視図である。
【図４】三つの主環状通路を有する本発明のプラズマスラスタの第二実施形態のための電気及び流体ブロック図である。
【図５】三角形状に配置された三つの主環状通路と七つの外部コイルとを有する本発明のプラズマスラスタの実施形態を示す概略側面図である。
【図６】図５のプラズマスラスタを示す下流側から見た端面図である。
【図７】図５及び図６のスラスタの通路がどのようにして傾斜させられたかを示す図である。
【図８】二つの外部コイルを備えて三角配置された三つの主環状通路を有する本発明のプラズマスラスタのもう一つの実施形態を示す概略側面図である。
【図９】図８のプラズマスラスタを示す下流側から見た端面図である。
【図１０】四角配置の四つの主環状通路と九つの外部コイルとを有する本発明のプラズマスラスタの実施形態を示す概略側面図である。
【図１１】図１０のプラズマスラスタを示す下流側から見た端面図である。
【図１２】図１０及び図１１のスラスタの通路の傾斜を示す図である。
【図１３】本発明のプラズマスラスタのさらにもう一つの実施形態を示す概略側面図であり、本実施形態は、二つの主環状通路と六つの外部コイルとを有し、機械的な指向軸線に適合している。
【図１４】図１３のプラズマスラスタを示す下流側から見た端面図である。
【図１５】機械的な指向軸線の詳細実施を示す図１４の矢印Ｆから見た側面図である。
【図１６】本発明のスラスタの主環状通路のそれぞれに組み込み可能な陽極を示す軸線方向断面の斜視図である。
【図１７】本発明のスラスタの主環状通路の一つの可能な実施形態を示す軸線方向半断面図である。
【図１８】単一の主環状通路と機械的な指向手段とを具備する従来のプラズマスラスタを示す側面図である。

Claims (24)

1. 操縦可能なスラストベクトルを有する閉鎖エレクトロンドリフトプラズマスラスタであって、前記スラスタは、陽極及びイオン化可能ガス供給手段に適合する少なくとも一つのイオン化及び加速の主環状通路と、前記主環状通路に磁場を形成するための磁気回路と、前記イオン化可能ガス供給手段と協働する中空陰極（１４０）とを具備し、前記スラスタは、非平行で前記主環状通路（１２４Ａから１２４Ｄ）の出口から下流側において集合する軸線（２４１Ａから２４１Ｄ）を有する複数のイオン化及び加速の主環状通路（１２４Ａから１２４Ｄ）を具備し、磁場を形成するための前記磁気回路は、全ての前記主環状通路の下流側で共通の第一外部磁極片（１３４）と、全ての前記主環状通路に共通で下流側の前記第一外部磁極片（１３４）から上流側に配置された第二外部磁極片（３１１）と、前記主環状通路（１２４Ａから１２４Ｄ）の前記軸線（２４１Ａから２４１Ｄ）回りに配置された第一コア（１３８Ａから１３８Ｄ）に取り付けられて前記主環状通路（１２４Ａから１２４Ｄ）の数と等しい複数の内部磁極片（１３５Ａから１３５Ｄ）と、複数の前記第一コア（１３８Ａから１３８Ｄ）回りのそれぞれに配置された複数の第一コイル（１３３Ａから１３３Ｄ）と、前記主環状通路の間に位置する空間に配置された第二コア（１３７）に取り付けられた複数の第二コイル（１３１）とを具備し、前記第二コイル（１３１）の前記第二コア（１３７）は、強磁性バー（１３６）によって上流部分を介して相互接続され、下流側の前記第一外部磁極片（１３４）へ下流部分を介して接続され、前記スラスタは、前記主環状通路（１２４Ａから１２４Ｄ）のそれぞれへのイオン化可能ガス流量を調整するための調整手段（１９２）と、前記主環状通路（１２４Ａから１２４Ｄ）においてイオン放出及び加速電流を制御するための制御手段（１９１）とを具備することを特徴とする閉鎖エレクトロンドリフトプラズマスラスタ。
2. イオン化及び加速の前記主環状通路（１２４Ａから１２４Ｄ）の前記軸線（２４１Ａから２４１Ｄ）は、前記スラスタの幾何学的軸線（７５２）に集束することを特徴とする請求項１に記載のプラズマスラスタ。
3. イオン化及び加速の前記主環状通路（１２４Ａから１２４Ｄ）の前記軸線（２４１Ａから２４１Ｄ）は、前記スラスタの幾何学的軸線（７５２）と５°から２０°の範囲内に位置する角度を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマスラスタ。
4. イオン化及び加速の前記主環状通路（１２４Ａから１２４Ｄ）のそれぞれは、分離器（３００Ａから３００Ｄ）を介して流量調整器（１８５Ａから１８５Ｄ）へ接続された管（１１８Ａから１１８Ｄ）によって前記イオン化可能ガスが供給されるマニホルド（１２７Ａから１２７Ｄ）と協働する陽極（１２５Ａから１２５Ｄ）を具備することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のプラズマスラスタ。
5. 前記中空陰極（１４０）は、分離器（３００）を介してヘッド損失部材（１８６）へ接続された管へ通じていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のプラズマスラスタ。
6. 前記流量調整器（１８５Ａから１８５Ｄ）及び前記ヘッド損失部材（１８６）は、電気制御弁（１８７）によって制御される共通管（１２６）へ通じていることを特徴とする請求項４又は５に記載のプラズマスラスタ。
7. 前記中空陰極（１４０）と前記陽極（１２５Ａから１２５Ｄ）との間で放電させるための電力供給回路（１９１）を具備し、前記主環状通路（１２４Ａから１２４Ｄ）の放電振動は、前記中空陰極（１４０）と前記陽極（１２５Ａから１２５Ｄ）との間に位置するフィルタ（９１１Ａから９１１Ｄ）によって減結合されることを特徴とする請求項４又は５に記載のプラズマスラスタ。
8. 前記陽極（１２５Ａから１２５Ｄ）の放電電流を制御するために、電流検出器（１９３Ａから１９３Ｄ）と、前記流量調整器（１８５Ａから１８５Ｄ）上で作動する電流調整器（１９２）とを有するサーボ制御ループを具備し、前記電流調整器は、合計放電電流関連値（９２１）と少なくとも一つの軸線回りの操縦のための少なくとも一つのスラストベクトル偏向関連値（９２２）とを受け入れ、前記イオン放出及び加速電流は、前記磁気回路によって決定される磁場分布によって制御され、前記磁気回路において、複数の前記第一コイル（１３３Ａから１３３Ｄ）と複数の前記第二コイル（１３１）とは、前記中空陰極（１４０）と前記電力供給回路（１９１）の負端子との間に直列に接続されていることを特徴とする請求項７に記載のプラズマスラスタ。
9. 前記流量調整器（１８５Ａから１８５Ｄ）は、放電電流サーボ制御ループによって制御される熱的毛管手段によって構成されることを特徴とする請求項８に記載のプラズマスラスタ。
10. 前記流量調整器（１８５Ａから１８５Ｄ）は、熱式、圧電式、又は、磁気歪式に作動される電気制御微量測定弁によって構成されていることを特徴とする請求項８に記載のプラズマスラスタ。
11. 前記電流検出器（１９３Ａから１９３Ｄ）は、数百ボルトの電位で前記陽極（１２５Ａから１２５Ｄ）のそれぞれにおいて電流を測定するために電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項８に記載のプラズマスラスタ。
12. 各前記主環状通路（１２５Ａから１２５Ｄ）における流量範囲は、公称流量の５０％から１２０％の範囲であることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のプラズマスラスタ。
13. 前記第二コイル（１３１）の数は、４から１０の範囲内であることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載のプラズマスラスタ。
14. ラジエータとして、及び、電気的及び流体的接続のためのハウジングとして機能する共通基板（１７５）を具備することを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のプラズマスラスタ。
15. イオン化及び加速の二つの前記主環状通路（１２４Ａ，１２５Ｂ）を具備することを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載のプラズマスラスタ。
16. イオン化及び加速の二つの前記主環状通路（１２４Ａ，１２５Ｂ）を具備し、前記イオン化可能ガスの供給量を調整するための前記調整手段（１９２）を使用して第一軸線回りの制御を提供することを可能とし、さらに、第二軸線回りにおける前記スラスタの前記基板（１７５）への機械的枢着手段を具備することを特徴とする請求項１４又は１５に記載のプラズマスラスタ。
17. 前記スラスタの前記基板（１７５）は、５０°の最大角度（７８３）で前記第二軸線（７８２）回りに枢着されていることを特徴とする請求項１６に記載のプラズマスラスタ。
18. 前記スラスタの前記基板（１７５）は、固定プラットフォーム（１７６）に取り付けられた少なくとも一つの可撓膜（７８１）によって予め押圧されて前記基板（１７５）に直接的に固定された二つの球軸受（１７８）上で前記第二軸線（７８２）回りに枢着され、可動部組立体の重心（７５１）は、回動軸線（７８２）の近傍に位置し、回動角度（７８３）は、電気モータ（１７７）及び角度固定を提供する減速ギヤ（１７９）によって制御されることを特徴とする請求項１６又は１７に記載のプラズマスラスタ。
19. 前記スラスタの軸線（７５２）回りに三角形状に配置された三つのイオン化及び加速の前記主環状通路（１２４Ａから１２４Ｃ）を具備することを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載のプラズマスラスタ。
20. 前記スラスタの軸線（７５２）回りに四角形状に配置された四つのイオン化及び加速の前記主環状通路（１２４Ａから１２４Ｄ）を具備することを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載のプラズマスラスタ。
21. 前記第二コイル（１３１）の数は、イオン化及び加速の前記主環状通路（１２４Ａから１２４Ｄ）の数の倍数であり、各前記主環状通路（１２４Ａから１２４Ｄ）に割り当てられた前記第二コイルの各部分組のコイルは直列に接続され、前記第二コイル（１３１）の各部分組は並列に接続され、直列に接続されたコイルのインピーダンスが等しくされていることを特徴とする請求項１から２０のいずれかに記載のプラズマスラスタ。
22. 前記第二コイル（１３１）の数は、イオン化及び加速の前記主環状通路（１２４Ａから１２４Ｄ）の数の倍数であり、各前記主環状通路（１２４Ａから１２４Ｄ）に割り当てられた前記第二コイルの各部分組のコイルは電流微細調整器を介して電力供給されることを特徴とする請求項１から２０のいずれかに記載のプラズマスラスタ。
23. スラストベクトルを操縦するためのデジタルサーボ制御ループを具備し、合計スラスト関連値とスラストベクトル偏向関連値とが、デジタル形式で与えられ、前記スラストベクトル偏向関連値は、二つの前記関連値が矛盾する場合において、合計スラスト関連値より優先されることを特徴とする請求項１から２０のいずれかに記載のプラズマスラスタ。
24. 前記イオン化可能ガスの供給量を調整するための前記調整手段（１９２）は、二つの軸線回りの制御を提供するために、スラストベクトル偏向のための二つの関連値を受け入れることを特徴とする請求項１から１５、１９、及び２０のいずれかに記載のプラズマスラスタ。

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